谈谈传输信号导线选型及内在机理

2021年11月5日
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515 3442字

散漫说,最近一段时间好多朋友都在私聊我说更新变少了很多,其实关于线束设计相关的文章公众号已经写了很多了,大家可以看看公众号整理的菜单。另外,在我们的网站“线束工程师之家网”上也一直有更新,在网站上,我也为大家整理了一本《线束工程师设计手册》,个人以为这本手册可以满足大部分人的需求。手册领取是免费的,填写必要的信息后,会自动发送到你填写的邮箱地址。

闲话就到这里,本文简单的分享下近来有关信号线的学习所得,以下为正文。

文章可能有点长,在此,先说明本文旨在说明的两个知识点,1 为了尽可能的保证所传输信号的完整性,信号线传输导线选型应关注特性阻抗,2 传送同一信号的导线回路,应避免使用不同截面积的导线

文章可能有点枯燥,如果你只想吃干饭,那么记住这两个知识点就够了,如果你还想更进一步进行探究,那么不妨找个时间,集中注意力,花个10分钟的时间,和我一起来探究下这个话题。

文章的行文结构如下:

1 了解阻抗,特性阻抗,阻抗匹配与信号反射的基本概念

2 理解CAN总线为何俩头都要加终端电阻,这个电阻为何又是120Ω

3 同轴电缆快速选型的关注点

一、必要概念的介绍

 

 1 什么是阻抗?

 

具有电阻、电感和电容的电路里,对交流电所起的阻碍作用叫做阻抗。阻抗常用Z表示。

阻抗是指电路中的电子器件对通过它的特定频率的交流电流的阻碍作用。在数学上用矢量平面上的复数表示,即Z=R+jX,

如图1所示,Z表示阻抗,实部R称为电阻,虚部X称为电抗。而电抗为容抗和感抗的总称,电容在电路中对交流电所起的阻碍作用称为容抗,电感在电路中对交流电所起的阻碍作用称为感抗。阻抗就是电阻、电容抗及电感抗在向量坐标上的矢量和。

 

谈谈传输信号导线选型及内在机理

图1 阻抗三角形

 

2 什么是特性阻抗

 

对于均匀传输线,当信号在上面传播时,在任何一处受到的瞬态阻抗都是相同的。在瞬态阻抗不变时,我们将其称为特性阻抗。

 

3 什么是阻抗匹配

 

阻抗匹配(impedance matching)主要用于传输线上,以此来达到所有高频的微波信号均能传递至负载点的目的,而且几乎不会有信号反射回来源点,从而提升能源效益。 

阻抗匹配是指负载阻抗与激励源内部阻抗互相适配,得到最大功率输出的一种工作状态。

最大功率传输定理是关于负载与电源相匹配时,负载能获得最大功率的定理。定理分为直流电路和交流电路两部分,内容如下所示。 

谈谈传输信号导线选型及内在机理

我们熟知实际电路中最大功率传输定理是关于负载与电源相匹配时,负载能获得最大的功率。迁移到高速电路中,其表现是:激励电路特性与传输线特性极大地影响了从一个装置传送到另一个装置信号的完整性。

 

具体来说,在高速电路中要想把信号能量从源端全部有效的传送到负载端,必须使传输线特征阻抗与信号的源端阻抗和负载阻抗匹配,否则信号会发生反射,导致信号波形的畸变等一系列问题。 

 

4 什么是反射

 

反射就是在传输线上的回波。信号频率高到一定程度时,信号的反射几乎无处不在,引发信号传输问题。解决反射问题是硬件工程师一项基本的要求。

 

要说明白反射,需要涉及前文提到过阻抗及匹配的概念。(前面所有的铺垫都是为了说明这个。)

简单的来说,将电流类比于水流,而将水位的高度看作为电压,这跟我们初高中接触的物理知识是一致的。水流的速度看作是信号的频率,假设,河道中水的宽度为阻抗,那么河道宽阻抗必然越小,这应该很好理解,我们的走线也是一样,走线越宽,阻抗越小。

 

假设完啦,下面开始分析啦!

 

一条小河上,水流顺流,突然水流入了小沟,水道变窄,阻抗变大。这时如果水流速很快也即信号频率很高,是不是就会溅起水花,这就是反射。此时小沟端的水位是不是也有抬高,说明这就产生了正反射,电压变高啦!

 

然后又开始流啊流,又突然水流入了大江,江河明显变宽,阻抗小啦,水位低啦,说明产生了负反射,叠加后电压就低啦。

 

形象的介绍了一波,下面再来理论分析下吧:

 

信号的反射与线路的阻抗突变有着直接的关系。信号功率(电压和电流)的一部分传输到线上并达到负载处,但是有一部分被反射了,如下图所示。源端与负载端阻抗不匹配会引起线上反射,假设信号传输过程中经过两个不同的区域,区域1阻抗为Z1,区域2阻抗为Z2,当Z2Z1,反射系数为正产生正反射。信号来回反射便形成了震荡,从而导致了信号失真。

 

谈谈传输信号导线选型及内在机理

 最后的小提示:如果想深入细致的分析下,可以阅读下于博士的《信号完整性揭秘》。

 

反射就是在传输线上的回波。信号功率(电压和电流)的一部分传输到线上并达到负载处,但是有一部分被反射了,如下图所示。源端与负载端阻抗不匹配会引起线上反射,负载将一部分电压反射回源端。如果负载阻抗小于源阻抗,反射电压为负,反之,如果负载阻抗大于源阻抗,反射电压为正。布线的几何形状、不正确的线端接、经过连接器的传输及电源平面的不连续等因素的变化均会导致此类反射。

 

二、阻抗匹配与反射理论的运用

 

1 CAN总线为何要加终端电阻,又为何是120Ω

 

按照ISO11898规范,为了增强CAN-bus 通讯的可靠性,CAN-bus 总线网络的两个端点通常要加入终端匹配电阻(120Ω)。

 

1.1 终端电阻的含义

 

终端电阻,是一种电子信息在传输过程中遇到的阻碍。高频信号传输时,信号波长相对传输线较短,信号在传输线终端会形成反射波,干扰原信号,所以需要在传输线末端加终端电阻,使信号到达传输线末端后不反射。

对于低频信号则不用。在长线信号传输时,一般为了避免信号的反射和回波,也需要在接收端接入终端匹配电阻。

 

一般在直线型中,线缆两端即是发送端,也是接收端,故线缆两端需各加一个终端电阻。

 

 终端电阻的作用:

1:阻抗匹配,匹配信号源和传输线之间的阻抗,极少反射,避免振荡。

 2:减少噪声,降低辐射,防止过冲。在串联应用情况下,串联的终端电阻和信号线的分布电容以及后级电路的输入电容组成RC滤波器,消弱信号边沿的陡峭程度,防止过冲。

 

1.2 为什么选120Ω

 

CAN总线的终端匹配电阻值取决于电缆的特性阻抗,与电缆的长度无关,一般双绞线(屏蔽或非屏蔽)连接的终端电阻一般介于100至140Ω之间,典型值为120Ω。

 

前面的分析,我们已经知道,只有阻抗匹配,才能避免反射的产生。既然传输导线特性阻抗是120Ω,为了尽可能的保证信号的完整性,can总线终端电阻的大小也为120Ω。

 

值得一提的是,双绞线的的特性阻抗与其绞距关系密切,这也是各个标准对于双绞线绞距都有定义的原因所在。 

 

1.3 几组实验数据验证终端电阻的必要性

 

下面记录了一个模拟试验,位速率为1Mbit/s,收发器CANH、CANL接一根10m左右的双绞线,收发器端接120Ω电阻保证隐性转换时间,末端不加负载。末端信号波形如图,信号上升沿出现了振铃。

谈谈传输信号导线选型及内在机理

 

若双绞线末端增加一个120Ω的电阻,末端信号波形明显改善,振铃消失,如图。

 

谈谈传输信号导线选型及内在机理

下面这种实验数据记录了加与不加终端电阻信号波形的变化。

1.   未加终端电阻的波形(还是可以通讯的)

谈谈传输信号导线选型及内在机理

 

2.   加上终端电阻的波形(通讯稳定性增强)

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2 同轴电缆的选型

 

谈谈传输信号导线选型及内在机理

同轴电缆(Coaxial Cable)有时又称为射频电缆(RF Cable),同轴射频电缆是最常用的结构型式。由于其内外导体处于同心位置,电磁能量局限在内外导体之间的介质内传播,因此具有衰减小,屏蔽性能高,使用频带宽及性能稳定等显著优点。

 

同轴电缆从用途上分可分为50Ω基带电缆和75Ω宽带电缆的射频同轴电缆。基带电缆又分细同轴电缆和粗同轴电缆。基带电缆仅仅用于数字传输,数据率可达10Mbps。特性阻抗50Ω射频同轴电缆主要用于基带信号传输,传输带宽为1~20MHz,特性阻抗75Ω射频同轴电缆常用于CATV网,故称为CATV电缆,传输带宽可达1GHz,目前常用CATV电缆的传输带宽为750MHz。

 

相对来说,根据同轴电缆的抗阻选择比较简单,在有线电视网络的使用中,同轴电缆的抗阻几乎都是75欧姆的,而其他用途的同轴电缆都是50欧姆的。

 

三、总结

1,在高速电路中要想把信号能量从源端全部有效的传送到负载端,必须使传输线特征阻抗与信号的源端阻抗和负载阻抗匹配,否则信号会发生反射,导致信号波形的畸变等一系列问题。

2,CAN总线的终端电阻根据传输双绞线的特性阻抗来的,为120Ω。双绞线的特性阻抗与其绞距有关。

3,传输线,不允许线径突变,防止特性阻抗变化,引发反射,造成信号失真。

4,同轴电缆可以根据所需要的特性阻抗快速选择。 

一家之言,欢迎探讨~

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